چاپ سه‌بعدی تجهیزات حفاظت فردی قابل اتوکلاو با پرینترهای سه‌بعدی مصرفی کم‌هزینه

1. مقدمه

همه‌گیری کووید-۱۹ آسیب‌پذیری‌های حیاتی در زنجیره‌های تأمین تجهیزات پزشکی جهانی، به ویژه برای تجهیزات حفاظت فردی (PPE) را آشکار کرد. تولید سنتی در مقیاس‌پذیری سریع مشکل داشت و این امر مراکز درمانی را به سمت شبکه‌های توزیع‌شده چاپ سه‌بعدی سوق داد. با این حال، یک محدودیت مهم پدیدار شد: اکثر پرینترهای سه‌بعدی درجه مصرفی از ترموپلاستیک‌هایی مانند PLA (نقطه نرم‌شدگی ویکات ~۶۲ درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌کنند که نمی‌توانند در برابر استریلیزاسیون استاندارد اتوکلاو بخار (۱۲۱ درجه سانتی‌گراد) مقاومت کنند. این امر مستلزم ضدعفونی دستی زمان‌بر و بالقوه ناسازگار است که باعث ایجاد گلوگاه و نگرانی‌های ایمنی می‌شود. این مقاله با ارائه روشی برای چاپ سه‌بعدی یک کوپلیمر نایلون قابل اتوکلاو روی پرینترهای سه‌بعدی مصرفی کم‌هزینه با حداقل اصلاحات، به رفع این شکاف می‌پردازد و بدین ترتیب کارایی و ایمنی تولید توزیع‌شده PPE را افزایش می‌دهد.

2. مواد و روش‌ها

2.1. انتخاب مواد

نوآوری اصلی در انتخاب مواد نهفته است. به جای هدف قرار دادن پلیمرهای با کارایی بالا مانند PEEK (که نیاز به دمای اکسترود >۳۸۰ درجه سانتی‌گراد دارند)، نویسندگان یک کوپلیمر نایلون با دمای انتقال شیشه‌ای ($T_g$) و نقطه ذوب ($T_m$) مناسب شناسایی کردند که بین مقاومت در برابر اتوکلاو و قابلیت چاپ روی سخت‌افزار مصرفی اصلاح‌شده تعادل برقرار می‌کند. ماده انتخاب شده باید چرخه اتوکلاو تعریف شده توسط معادله آرنیوس برای تخریب حرارتی را تحمل کند، که در آن ثابت سرعت $k$ است: $k = A e^{-E_a / (RT)}$. در اینجا، $E_a$ انرژی فعال‌سازی برای تجزیه، $R$ ثابت گازها، $T$ دمای مطلق (۱۲۱°C = ۳۹۴.۱۵ K) و $A$ عامل پیش‌نمایی است.

2.2. اصلاحات پرینتر

پرینترهای استاندارد مصرفی مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده (FDM) (مانند Creality Ender 3, Prusa i3) به عنوان خط پایه استفاده شدند. اصلاحات کلیدی شامل موارد زیر بود:

• ارتقاء هات‌اند: جایگزینی هات‌اند استاندارد با نوع تمام فلزی قادر به تحمل دمای پایدار تا حدود ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد برای پردازش کوپلیمر نایلون.
• تقویت بستر گرم‌شونده: اطمینان از چسبندگی یکنواخت بستر برای مواد نایلونی مستعد تاب‌خوردگی، که ممکن است شامل سطوح ساخت ارتقاءیافته (مانند ورق PEI) باشد.
• محفظه: افزودن یک محفظه ساده برای به حداقل رساندن گرادیان‌های حرارتی و تاب‌خوردگی در حین چاپ، که برای پلیمرهای نیمه‌بلوری مانند نایلون حیاتی است.

2.3. پارامترهای چاپ

پارامترهای بهینه از طریق آزمایش‌های تکراری توسعه یافتند:

• دمای نازل: ۲۶۰-۲۸۰ درجه سانتی‌گراد
• دمای بستر: ۸۰-۱۰۰ درجه سانتی‌گراد
• سرعت چاپ: ۴۰-۶۰ میلی‌متر بر ثانیه
• ارتفاع لایه: ۰.۲ میلی‌متر
• تراکم پرکننده: ۸۰-۱۰۰٪ برای اجزای ساختاری PPE.

3. نتایج آزمایشی

3.1. آزمایش مقاومت در برابر اتوکلاو

نمونه‌های آزمایشی چاپ‌شده (مانند هدبندهای محافظ صورت، براکت‌های ماسک) و میله‌های کششی استاندارد شکل سگ‌استخوان تحت چندین چرخه استاندارد اتوکلاو (۱۲۱ درجه سانتی‌گراد، ۱۵-۲۰ psi، ۲۰-۳۰ دقیقه) قرار گرفتند. آنالیز ابعادی با استفاده از کولیس دیجیتال و بازرسی بصری هیچ تاب‌خوردگی، ذوب یا تغییر شکل هندسی قابل توجهی در مقایسه با نمونه‌های شاهد تأیید کرد. این یک نتیجه حیاتی است، زیرا تاب‌خوردگی حالت شکست اولیه برای اکثر فیلامنت‌های درجه مصرفی تحت شرایط اتوکلاو است.

3.2. تحلیل مقاومت کششی

آزمایش کششی تک‌محوره روی نمونه‌های شکل سگ‌استخوان قبل و بعد از اتوکلاو انجام شد. منحنی‌های تنش-کرنش برای تعیین مدول یانگ ($E$)، مقاومت کششی نهایی ($\sigma_{UTS}$) و ازدیاد طول در نقطه شکست تحلیل شدند. نتایج نشان داد که اتوکلاو باعث کاهش کمتر از ۱۰٪ در $\sigma_{UTS}$ و $E$ شده است که برای کاربرد مورد نظر از نظر آماری معنی‌دار نیست. این نشان می‌دهد که فرآیند استریلیزاسیون در این کوپلیمر نایلون خاص تحت این شرایط، باعث شکست زنجیره پلیمری قابل توجه یا تخریب هیدرولیتی نمی‌شود.

توضیح نمودار: یک نمودار میله‌ای که مقاومت کششی نهایی (MPa) و مدول یانگ (GPa) نمونه‌های کوپلیمر نایلون چاپ سه‌بعدی شده را در حالت "همان‌طور که چاپ شده" در مقابل "پس از ۵ چرخه اتوکلاو" مقایسه می‌کند. میله‌های مربوط به نمونه‌های اتوکلاو شده تنها کاهش جزئی را نشان می‌دهند (مثلاً از ۵۰ MPa به ۴۷ MPa)، که به صورت بصری تخریب حداقلی خواص را تأیید می‌کند.

4. بحث

4.1. مشارکت فنی

مشارکت اصلی این کار عمل‌گرایانه است: نیاز به پرینترهای سه‌بعدی صنعتی تخصصی و گران‌قیمت (مانند آن‌هایی که برای PEEK/PEI استفاده می‌شوند) یا طراحی‌های سخت‌افزار متن‌باز کاملاً جدید (مانند پرینتر Cerberus) را دور می‌زند. با تمرکز بر ماده‌ای که در مرز قابلیت‌های پرینترهای مصرفی با اصلاحات جزئی سخت‌افزاری قرار دارد، به شدت مانع تولید PPE استریل و قابل استفاده مجدد را کاهش می‌دهد. این روش به طور مؤثر یک دسته جدید از مواد چاپ‌پذیر "درجه مصرفی پیشرفته" را برای کاربردهای حیاتی ایجاد می‌کند.

4.2. مقایسه با روش‌های موجود

در مقایسه با ضدعفونی دستی قطعات PLA، این روش اتوماسیون، یکنواختی و استریلیته تأییدشده را ارائه می‌دهد. در مقایسه با چاپ با PEEK روی ماشین‌های صنعتی، هزینه را یک تا دو مرتبه قدر کاهش می‌دهد. نقطه تعادل، عملکرد مکانیکی و حرارتی است - کوپلیمر نایلون به اندازه PEEK قوی یا مقاوم در برابر دما نیست، اما برای بسیاری از کاربردهای PPE (مانند اجزای غیرباربر، اتصالات) کافی است.

5. بینش اصلی و دیدگاه تحلیلی

بینش اصلی: این داستان یک ماده انقلابی نیست؛ یک کلاس استادانه در ناوبری محدودیت‌های مهندسی عمل‌گرا است. نوآوری واقعی شناسایی یک پلیمر تجاری قابل دوام است که کاملاً در تقاطع "قابل اتوکلاو"، "قابل چاپ روی یک دستگاه ۳۰۰ دلاری با یک ارتقاء ۵۰ دلاری" و "به اندازه کافی خوب" قرار می‌گیرد. این روش یک مشکل حاد و واقعی (منطق استریلیزاسیون PPE) را با بازتعریف فضای راه‌حل از "ساخت یک پرینتر بهتر" به "یافتن یک ماده هوشمندانه‌تر برای پرینترهای موجود" حل می‌کند.

جریان منطقی: منطق بی‌عیب است: ۱) اتوکلاو کردن استاندارد طلایی است اما چاپ‌های سه‌بعدی رایج را از بین می‌برد. ۲) پرینترهای با دمای بالا نادر و گران هستند. ۳) بنابراین، ماده‌ای بیابید که آستانه اتوکلاو را برآورده کند و در عین حال در محدوده حرارتی و مکانیکی پرینترهای کم‌هزینه فراگیر باقی بماند. ۴) اثبات کنید که کار می‌کند. این تحقیق کاربردی با خط مستقیم از مشکل به راه‌حل قابل اجرا است.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت آن قابلیت استقرار فوری و هزینه کم است - این روش می‌تواند هفته آینده در هزاران فضای سازنده و بیمارستان در سراسر جهان پیاده‌سازی شود. نقطه ضعف، که نویسندگان به آن اذعان دارند، محدودیت ذاتی خود ماده است. نایلون جاذب رطوبت است که در صورت نگهداری نامناسب می‌تواند بر کیفیت چاپ و خواص بلندمدت تأثیر بگذارد. علاوه بر این، چسبندگی لایه و استحکام ناهمسان‌گرد قطعات FDM برای دستگاه‌های پزشکی حیاتی و باربر نگرانی باقی می‌ماند، نکته‌ای که به خوبی در مرورهای پلیمرهای چاپ سه‌بعدی شده برای مراقبت‌های بهداشتی مستند شده است (مانند Additive Manufacturing، ۲۰۲۱، جلد ۴۷). این راه‌حل برای محافظ‌های صورت و براکت‌ها عالی است اما برای ابزارهای جراحی یا ایمپلنت‌ها مناسب نیست.

بینش‌های عملی: برای مدیران مراقبت‌های بهداشتی: این یک راه‌حل موقت و مکمل قابل دوام برای زنجیره تأمین است. در چند پرینتر ارتقاءیافته سرمایه‌گذاری کنید و فرآیند را استانداردسازی کنید. برای تولیدکنندگان فیلامنت: یک جایگاه بازار واضح برای مواد مهندسی "درجه مصرفی پیشرفته" وجود دارد. ترکیبات کوپلیمر نایلون را که دقیقاً برای این مورد استفاده بهینه شده‌اند، توسعه داده و به بازار عرضه کنید. برای محققان: گام بعدی فقط یک ماده جدید نیست، بلکه پروتکل‌های چاپ و استریلیزاسیون تأییدشده است که با استانداردهای نظارتی (مانند FDA, CE) مطابقت دارند. کار انجام‌شده در اینجا یک گام اولیه حیاتی است، اما پذیرش بالینی نیاز به آزمایش‌های دقیق و استاندارد مشابه چارچوب‌های اعتبارسنجی دیده شده در تحقیقات بیوپرینتینگ دارد (مانند Groll و همکاران، Biofabrication، ۲۰۱۹).

6. جزئیات فنی و چارچوب ریاضی

موفقیت به خواص حرارتی بستگی دارد. پلیمر باید دارای دمای ذوب ($T_m$) به اندازه کافی بالا برای مقاومت در برابر دمای اتوکلاو، اما به اندازه کافی پایین برای هات‌اندهای مصرفی باشد. سینتیک تخریب حرارتی آن، که توسط معادله آرنیوس کنترل می‌شود، باید اطمینان حاصل کند که حداقل تخریب در طول زمان-دما در اتوکلاو رخ می‌دهد. دمای انحراف حرارتی (HDT) برای این کاربرد معیار عملی‌تری نسبت به $T_g$ است. HDT ماده تحت بار باید بیش از ۱۲۱ درجه سانتی‌گراد باشد. درجه بلورینگی نیز نقش دارد، زیرا مناطق بلورین‌تر مقاومت حرارتی را بهبود می‌بخشند اما می‌توانند چاپ را چالش‌برانگیزتر کنند.

یک مدل ساده‌شده برای حداکثر دمای سرویس $T_{service}$ بر اساس مفهوم تبدیل زمان-دما (TTT) می‌تواند در نظر گرفته شود: $T_{service} \approx T_g + (T_m - T_g) \cdot \alpha$، که در آن $\alpha$ یک عامل (۰<$\alpha$<۱) است که حاشیه ایمنی مورد نیاز زیر نقطه ذوب را نشان می‌دهد. برای استفاده در اتوکلاو، $T_{service}$ باید >۱۲۱°C باشد.

7. چارچوب تحلیل و مثال موردی

چارچوب: ارزیابی سطح آمادگی فناوری (TRL) برای تولید پزشکی توزیع‌شده.

این تحقیق یک مطالعه موردی عالی برای اعمال چارچوب TRL به یک راه‌حل تولید مردمی ارائه می‌دهد.

• TRL 1-3 (تحقیق پایه): درک اینکه PLA در اتوکلاو شکست می‌خورد. شناسایی مواد کاندید (کوپلیمرهای نایلون).
• TRL 4-5 (اعتبارسنجی آزمایشگاهی): مرحله این مقاله. اثبات مفهوم چاپ روی سخت‌افزار مصرفی اصلاح‌شده. آزمایش مقاومت در برابر اتوکلاو و خواص مکانیکی در آزمایشگاه.
• TRL 6-7 (نمونه اولیه در محیط مرتبط): گام‌های بعدی: چاپ کامل PPE کاربردی (مانند کل محافظ صورت، تنظیم‌کننده‌های ماسک). آزمایش در یک محیط شبیه‌سازی شده یا بالینی واقعی برای تناسب، راحتی و ادغام در گردش کار استریلیزاسیون.
• TRL 8-9 (سیستم کامل و واجد شرایط): مراحل نهایی: ایجاد پروتکل‌های کنترل کیفیت برای مراکز چاپ توزیع‌شده. اخذ مجوزهای نظارتی لازم برای ماده خاص و طراحی‌های شیء چاپ‌شده.

مثال موردی: یک بیمارستان جامعه در یک منطقه دورافتاده در طول یک شیوع با کمبود محافظ صورت مواجه می‌شود. به جای انتظار برای محموله‌ها، شبکه محلی سازندگان با پرینترهای Ender 3 ارتقاءیافته را فعال می‌کنند. با استفاده از فیلامنت کوپلیمر نایلون مشخص و فایل‌های چاپ مشترک، آن‌ها ۲۰۰ هدبند محافظ صورت در هفته تولید می‌کنند. این قطعات جمع‌آوری شده، در بخش استریلیزاسیون مرکزی بیمارستان در کنار ابزارهای فلزی اتوکلاو شده و مستقر می‌شوند. این مورد نشان‌دهنده انتقال از TRL 5 به TRL 7 است.

8. کاربردها و جهت‌های آینده

پیامدها فراتر از PPE همه‌گیری است.

• راهنماها و قالب‌های جراحی سفارشی: راهنماهای خاص بیمار برای جراحی می‌توانند به صورت محلی چاپ شده و از طریق اتوکلاو استریل شوند که در مقایسه با برون‌سپاری با تولید سنتی، هزینه و زمان تأخیر را کاهش می‌دهد.
• لوازم آزمایشگاهی کم‌هزینه: نگهدارنده‌های پیپت سفارشی قابل اتوکلاو، نگهدارنده لوله‌ها و اتصالات ابزار برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و تشخیصی، به ویژه در محیط‌های میدانی یا مؤسسات آموزشی.
• پزشکی دامپزشکی: نیازهای مشابه برای تجهیزات قابل استریل در کلینیک‌های دامپزشکی، که اغلب اتوکلاو دارند اما بودجه محدودی دارند.
• توسعه مواد: کار آینده باید بر توسعه فیلامنت‌های کامپوزیتی (مانند نایلون با الیاف کربن یا الیاف شیشه) برای بهبود بیشتر استحکام و پایداری ابعادی متمرکز شود و مرز عملکرد پرینترهای مصرفی اصلاح‌شده را جابجا کند. تحقیق در مورد پلیمرهای قابل اتوکلاو و آسان‌تر برای چاپ مانند پلی‌استرها یا پلی‌پروپیلن‌های خاص نیز امیدوارکننده است.
• استانداردسازی و مقررات: مرز حیاتی بعدی فنی نیست بلکه نظارتی است. ایجاد استانداردهای ASTM/ISO برای آزمایش مکانیکی و اعتبارسنجی استریلیزاسیون قطعات چاپ‌شده FDM از مواد مشخص، برای پذیرش گسترده پزشکی ضروری است، که از سابقه ایجاد شده برای دستگاه‌های پلیمری تولید شده به روش سنتی پیروی می‌کند.

9. منابع

1. I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. ویرایش دوم، Springer، ۲۰۱۵. (برای اصول پایه FDM).
2. J. G. Groll, و همکاران. "A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks." Biofabrication، جلد ۱۱، شماره ۱، ۲۰۱۹. (برای چارچوب اعتبارسنجی در AM زیست‌پزشکی).
3. T. D. Ngo, و همکاران. "Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges." Composites Part B: Engineering، جلد ۱۴۳، صفحات ۱۷۲-۱۹۶، ۲۰۱۸. (برای مرور خواص و محدودیت‌های مواد).
4. ASTM International. "F2971-21: Standard Practice for Reporting Data for Test Specimens Prepared by Additive Manufacturing." (برای زمینه استانداردسازی).
5. U.S. Food and Drug Administration (FDA). "Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices – Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff." دسامبر ۲۰۱۷. (برای چشم‌انداز نظارتی).
6. Open-Source Cerberus 3D Printer Project, Michigan Technological University. https://www.appropedia.org/Cerberus_3D_Printer (برای مقایسه با رویکرد پرینتر با دمای بالا).